Lo studio “CRISPR-Cas9 effectors facilitate generation of single-sex litters and sex-specific phenotypes”, pubblicato su Nature Communications da un team di ricercatori del Sex Chromosome Biology Laboratory del Francis Crick Institute e della School of Biosciences dell’università del Kent illustra una tecnologia di editing genetico che è stata utilizzata con successo per «creare cucciolate di topi solo femmine o maschi con un'efficienza del 100%».
Secondo i ricercatori, «Questo studio proof of principle dimostra come la tecnologia potrebbe essere utilizzata per migliorare il benessere degli animali nella ricerca scientifica e forse anche nell'allevamento. Nella ricerca scientifica e anche nell'allevamenti, c'è spesso bisogno di animali maschi o femmine. Ad esempio, la ricerca di laboratorio sulla riproduzione maschile o femminile richiede solo animali del sesso studiato. E in allevamento, sono necessarie solo femmine per la produzione di uova e negli allevamenti da latte. Questo significa che è pratica comune per gli animali del sesso non richiesto vengano abbattuti dopo la nascita».
Il nuovo metodo illustrato dallo studio utilizza un sistema genetico in due parti per inattivare gli embrioni poco dopo la fecondazione, consentendo lo sviluppo solo del sesso desiderato e All’università del Kent dicono che «Un tale metodo genetico per controllare il sesso della prole potrebbe ridurre drasticamente l'abbattimento in entrambi i settori».
I ricercatori spiegano che «La selezione dell'embrione si basa sul fatto che ci sono due elementi di CRISPR-Cas9: l'enzima Cas9 che taglia il DNA, consentendo agli scienziati di alterare regioni specifiche, e l'RNA guida che porta il Cas9 nella giusta posizione sul genoma. Il team ha posizionato un elemento del sistema sul cromosoma X o Y del padre, il che significa che sarà ereditato rispettivamente solo da embrioni femminili o maschili. L'altro elemento è fornito dalla madre ed è ereditato da tutti gli embrioni».
Il team britannico ha preso di mira il gene Top1, essenziale per la replicazione e la riparazione del DNA e spiega ancora: «Quando un embrione si è formato da uno spermatozoo e da un uovo, ciascuno contenente una metà di CRISPR-Cas9, l'editing genetico è stato attivato nell'embrione e non è stato in grado di svilupparsi oltre uno stadio molto precoce di circa 16-32 cellule. Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di controllare, con un effetto del 100%, il sesso di una cucciolata».
Per produrre una cucciolata di soli maschi, i ricercatori hanno modificato il cromosoma X del padre, il che significa che solo le femmine hanno ereditato la mutazione deleteria e, per una cucciolata di sole femmine, hanno modificato il cromosoma Y. Gli scienziati fanno notare che «Sorprendentemente, il metodo non ha portato a una diminuzione del 50% del numero di figli prodotti, piuttosto le dimensioni delle cucciolate erano comprese tra il 61% e il 72% delle cucciolate di controllo» e suggeriscono che «Questo è dovuto al fatto che animali come i topi producono più uova del necessario durante ogni ciclo ovarico, consentendo la perdita di una parte di esse durante lo sviluppo iniziale senza ridurre le dimensioni della cucciolata. Questo significa che in situazioni in cui è necessario un sesso, saranno necessari meno animali da riproduzione per produrre lo stesso numero di figli del sesso desiderato».
Dato che il gene Top1 è ben conservato tra i mammiferi, questi risultati potrebbero essere applicabili anche ad altri animali e la principale autrice dello studio, Charlotte Douglas, del Francis Crick, sottolinea che «Questo metodo funziona mentre dividiamo il processo di modifica del genoma a metà, tra un maschio e una femmina, ed è solo quando le due metà si incontrano in un embrione attraverso l'allevamento, che si attiva. Gli embrioni con entrambe le metà non possono svilupparsi oltre le fasi cellulari molto precoci. Abbiamo anche dimostrato che questo processo funziona con successo in diverse combinazioni, introducendo il Cas9 o gli elementi guida dell'RNA sui cromosomi della madre o del padre».
Dato che la prole che sopravvive contiene solo la metà degli elementi CRISPR-Cas9 all'interno del proprio genoma, questo agisce come un controllo che impedisce che la selezione del sesso venga trasmessa alle generazioni successive, a meno che non vengano allevati selettivamente con un individuo del sesso opposto contenente l'altro metà. E’ qualcosa di diverso dall'ingegneria genetica con metodi "gene-drive", che cercano di diffondere ampiamente una mutazione genetica tra una popolazione. Inoltre, non ci sono effetti dannosi della modifica genetica nella prole sopravvissuta.
James Turner, autore dello studio e leader del gruppo del Sex Chromosome Biology Laboratory al Crick, è convinto che «Questo lavoro potrebbe avere un impatto immediato e prezioso nei laboratori scientifici, poiché abbiamo dimostrato quanto sia sicuro ed efficace nei topi, un mammifero comune utilizzato nella ricerca medica e scientifica. Sebbene molte ricerche necessitino di entrambi i sessi, ci sono aree di studio in cui è necessario solo uno. Ad esempio, quando si studia il sistema riproduttivo, malattie specifiche del sesso o determinati ormoni».
Peter Ellis, autore dello studio e docente senior di genetica molecolare e riproduzione all’università del Kent, conclude: «Le implicazioni di questo lavoro sono potenzialmente di vasta portata quando si tratta di migliorare il benessere degli animali, ma dovrebbero essere considerate a livello etico e normativo. In particolare, prima di qualsiasi potenziale utilizzo negli allevamenti, sarebbe necessario un ampio dibattito scientifico e pubblico, nonché modifiche alla legislazione. Anche dal punto di vista scientifico, c'è molto lavoro da fare per un certo numero di anni. Sono necessarie ulteriori ricerche, prima per sviluppare i particolari kit di strumenti per l'editing genetico per specie diverse e poi per verificare che siano sicuri ed efficaci».
